Прожекторная мачта ПМС35м43

Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания прожекторной мачты ПМС35м43.

Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.

Прожекторная мачта ПМС35м43. Вид общий

Климатические характеристики

Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23.7-22.9-14.4-8.2 0.0 9.9 15.7 12.0 5.7-4.2-15.2-20.9
Скорость ветра, м/с3.03.13.33.53.83.83.33.03.23.33.02.9
Высота снега, м0.530.620.680.650.28----0.080.250.40

Геокриологические условия

Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 0,8 ⁰С. 

Прожекторная мачта ПМС35м43. Геологический разрез

В материалах рабочей документации имеются лабораторные измерения части теплофизических свойств грунтов. Т.к. из представленных на геологическом разрезе данных по фактическим характеристикам теплофизических свойств не ясны условия, при которых производились измерения, то при моделировании температурного поля приняты расчетные характеристики грунтов.

Наименование
показателя
ОбозначениеЕд.измеренияНасыпной грунтИГЭ №141000.
Суглинок
ИГЭ №140100.
Суглинок полутвердый
ИГЭ №141000Э.
Суглинок
Физические свойства
Плотность грунта в сухом состоянииRdfкг/м31740175016201840
Суммарная влажностьWtotд.е.0,180,1810,210,149
Степень засоленностиDsal%-0,0520,0710,068
Число пластичностиIpд.е.-0,170,1110,118
Влажность на границе раскатыванияWpд.е.-0,240,1960,2
Теплофизические свойства
Температура начала замерзанияTbf⁰С-0,15-0,27-0,24-0,17
Теплопроводность талого грунтаλthВт/(м*К)2,321,541,451,55
Теплопроводность мерзлого грунтаλfВт/(м*К)2,731,771,681,76
Объемная теплоемкость талого грунтаCthМДж/м32,632,92,92,79
Объемная теплоемкость мерзлого грунтаCfМДж/м31,932,392,432,36
Коэффициенты кривой незамерзшей воды
Ww(t)= A + B / (C - t),
где t - температура, ⁰С
А-0,00130,070,07450,0605
B-0,00160,14950,08730,1657
C-0,44521,07430,85911,7006
Теплота фазового переходаQfМДж/м3----

Строительные решения

Конструкция прожекторной мачты представляет собой стальной каркас оприрающийся на сайных фундамент с размерами в плане 4,3х4,3 метров.

Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.

Температурная стабилизация

Технические решения по температурной стабилизации предусматривают установку одиночных вертикальных СОУ.

Прожекторная мачта ПМС35м43. Схема свай и СОУ

Прогноз температурного режима грунтов

Прогнозное моделирование осуществлялось с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов, РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.

Моделирование температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.

Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).

Этапы выполнения строительства

Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:

  • Первый этап – возведение насыпи.

    Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Принят наиболее критичный вариант для температур грунтов — возведение насыпи в конце летнего периода талым грунтом. Срок прогноза составлял один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.

  • Второй этап – период эксплуатации.

    Моделировалось тепловое воздействие от эксплуатации. Погружения свай, СОУ приняты на момент 15 октября. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.

Адаптация условий теплообмена

Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.

Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с3,03,13,33,53,83,83,33,03,23,33,02,9
Теплоотдача, Вт/(м2*К)9,539,7710,2510,7311,4511,4510,259,5310,0110,259,539,29
Высота снега, м0,2890,3380,3700,3540,153----0,0440,1360,218
Плотность снега, кг/м3142151157164380----98115129
Теплопроводность снега, Вт/(м*К)0,2040,2150,2230,2320,657----0,1570,1730,189
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)0,6590,5980,5680,6183,13111,45010,2509,53010,0102,6631,1230,795
Расчетная область

Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 40 х 40 х 50 метров. 

Расчетная область показана на рисунке ниже.

ПМС35м43. 3D Модель

Схема расположения свай, СОУ и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.

ПМС35м43. 2D Вид

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю. На уровне ростверков фундамента принято повышенное снегонакопление.

В расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на рисунке.

График тепловыделения раствора М150

Моделирование работы СОУ производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик СОУ, описывающих их работу. Для описания СОУ задаются величины среднемесячных температур воздуха на уровне СОУ и коэффициента теплообмена с конденсаторных блоков СОУ, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя СОУ, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации также проверяются критерии запуска и остановки работы СОУ. Тепловые характеристики работы СОУ, эквивалентные постановки граничных условий теплообмена в аналогичных программах расчета приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с1,81,92,02,12,32,32,01,82,02,01,81,8
Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м2*К)10,9011,0111,2211,43-----11,2210,9010,78
Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м2*К)11,8011,9112,1412,37-----12,1411,8011,66

Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 87х91х67 ячеек (0,5 млн. ячеек).

Результаты расчета

Результаты расчета приведены на рисунках ниже.

Трехмерное температурное поле на 15 января 1-го года эксплуатации.

Трехмерное температурное поле грунтов основания ПМС35м43 на 15.01.2001

Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.

Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года (начало эксплуатации).

Температурное поле грунтов основания ПМС35м43 на 15.10.2000

Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.

Температурное поле грунтов основания ПМС35м43 на 15.10.2001

Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании прожекторной мачты приведено на 15 октября 3-го года.

Температурное поле грунтов основания ПМС35м43 на 15.10.2002

Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.1 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной рядом с сооружением приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 октября)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,01,440,02-0,04-0,06
2,01,98-0,22-0,28-0,37
3,01,31-0,87-1,25-1,45
4,00,21-1,17-1,73-2,01
5,0-0,44-1,40-2,02-2,35
6,0-0,60-1,58-2,21-2,55
7,0-0,70-1,70-2,31-2,63
8,0-0,76-1,75-2,32-2,64
9,0-0,79-1,71-2,25-2,55
10,0-0,80-1,61-2,09-2,38
11,0-0,80-1,44-1,88-2,15
12,0-0,80-1,24-1,61-1,88
13,0-0,79-1,05-1,35-1,59
14,0-0,79-0,91-1,12-1,33
15,0-0,78-0,83-0,97-1,12

Время выполнения расчета модели, состоящей из 0,5 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:

  • На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 3 часа 30 минут.
  • На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 10 минут.

Выводы

Исходя из представленных расчетов можно сделать вывод о том, что объем погруженных СОУ избыточен для такого инженерного сооружения.

Файлы для загрузки

Фалы примера доступны по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

семнадцать − четыре =